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前沿院研究人員從原子尺度揭示钐钴高溫永磁材料再結晶和析出共生過程中的缺陷演化機制
點擊數:    更新时间:2020/11/26 17:41:37

基于再結晶與析出相共生現象調控微觀組織是研發高性能合金材料的重要手段,在現代材料工業中具有廣泛應用。調控再結晶晶粒尺寸和析出相分布可實現鎂合金、鋁合金和鎳基高溫合金等結構材料的強塑匹配,也可克服Sm-Co永磁材料“磁能積與矯頑力相互倒置”的基礎難題。由于再結晶晶粒和析出相長大相互影響,且涉及複雜的缺陷演化過程,揭示缺陷的形成及分解對調控微觀組織和材料性能至關重要。

 

近日,西安交通大學前沿院馬天宇教授和任曉兵教授課題組與西南應用磁學研究所王敬東研究員、北京工業大學嶽明教授和西北工業大學劉峰教授合作,以高溫磁性最強的2:17型Sm-Co-Fe-Cu-Zr永磁合金爲研究對象,采用高分辨透射電鏡從原子尺度揭示了其再結晶和析出共生過程中的缺陷演化機制。

 

盡管2:17型Sm-Co-Fe-Cu-Zr永磁材料已發現40多年且至今在航空航天、電子信息和軌道交通等高溫應用領域仍不可或缺,但是其形成納米胞狀組織的物理機制仍存爭議。一種觀點認爲六方結構的微米晶再結晶形成貧Sm的菱方結構2:17R納米胞狀相和富Sm的六方1:5H胞壁析出相爲純擴散型相變;另一種觀點則認爲六方結構的2:17H相可通過位移型相變轉變爲2:17R平衡相。由于擴散型相變和位移型相變過程中的缺陷演變機制截然不同,揭示再結晶和析出共生過程中的缺陷形成和分解成爲理解這種永磁材料形成納米胞狀組織的關鍵。通過表征不同相變階段的微結構,上述研究人員發現該體系再結晶、再結晶晶粒和析出相的長大均包含空位、間隙原子和基面層錯(也可分解爲位錯)的逐漸形成與分解。受擴散控制的<a>型位錯在基面上的遷移不僅使雙層堆垛周期的2:17H相轉變爲三層堆垛周期的2:17R相,也可形成連續的原子擴散通道使1:5H相沿錐面的胞壁析出(圖1)。

 

他們進一步結合球差電鏡和元素分析,觀察到由于位錯不完全遷移和元素不充分擴散所形成的2:17R’中間相(圖2)。根據實驗結果,他們提出了基面滑移原子模型(圖1c)來解釋該體系的缺陷形成及分解過程。該工作表明2:17型Sm-Co-Fe-Cu-Zr合金形成納米胞狀組織爲擴散-位移型混合相變機制,不僅澄清了該材料的長期爭議,也將爲調控再結晶與析出共生合金體系的微觀組織提供重要理論參考。

 

该工作以“Atomic scale understanding of the defects process in concurrent recrystallization and precipitation of Sm-Co-Fe-Cu-Zr alloys”为题发表在金属材料领域学术期刊Acta Materialia上。西安交通大學前沿院博士生宋欣为论文第一作者,马天宇教授为通讯作者,西安交大为第一单位。该工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、陕西省人才计划与科技创新团队、西安交通大學青年拔尖人才支持计划、西安交通大學金属材料强度国家重点实验室和西北工业大学凝固技术国家重点实验室等共同资助。微结构表征得到了西安交通大學分析测试共享中心和西北工业大学分析测试中心的支持。

 

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.067

 

圖1固溶處理態和時效後的微結構及基面滑移模型

 

图2 不完全基面滑移和不充分扩散形成的2:17R’中间相原子结构和元素分布

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